鎢極氬弧焊對低碳鋼組織和性能的影響

1、鎢極氬弧焊對低碳鋼組織和性能的影響學(xué)院：材料科學(xué)與工程學(xué)院專業(yè)：金屬材料焊接專業(yè)班級：08級焊接1班姓名：鄭志凱學(xué)號：080102010038指導(dǎo)教師：鄭春雷鎢極氬弧焊對低碳鋼組織和性能的影響鄭志凱摘要：本文的試驗采用鎢極氬弧焊（TIG）方法焊接4mm厚的低碳鋼鋼板，分析了焊接工藝參數(shù)對焊縫金屬顯微組織和硬度的影響，對于選擇合理的低碳鋼焊接工藝有所幫助。實驗結(jié)果表明，在焊接熱影響區(qū)有魏氏組織形成，使焊接接頭的塑性和韌性下降;隨著焊接電流的增加，焊縫金屬晶粒粗化。此外，焊接電流較大的情況下時，焊接接頭的顯微硬度會產(chǎn)生突變，降低了焊接接頭的力學(xué)性能和使用性能。關(guān)鍵詞：低碳鋼 鎢極氬弧焊 焊接接頭

2、焊接熱影響區(qū) 顯微組織 顯微硬度中圖分類號：TG406; TG407 文獻標(biāo)識碼：B低碳鋼中的含碳量低，錳、硅含量較少，因此，通常情況下焊縫和熱影響區(qū)不會因焊接而產(chǎn)生嚴(yán)重硬化組織或淬火組織。低碳鋼焊后的接頭塑性和沖擊韌度良好，焊接時，一般不需預(yù)熱、控制層間溫度和后熱，焊后也不必采用熱處理改善組織，整個焊接過程不必采取特殊的工藝措施，焊接性優(yōu)良，在焊接薄焊縫可以不采用焊絲做填充金屬。極氬弧焊（TIG）的應(yīng)用非常廣泛，具有設(shè)備較簡單、惰性氣體保護效果好、電弧穩(wěn)定、焊接質(zhì)量好、可靠性高等優(yōu)點，但不足的是生產(chǎn)效率比較低，并且對焊接施工者的技術(shù)要求較高。TIG焊可以用于幾乎所有金屬和合金鋼的焊接，一般用

3、于薄板的焊接及多層焊時的打底焊等情況。本文就TIG焊低碳鋼鋼薄板的焊接接頭金屬的組織形態(tài)和硬度值的變化進行了研究分析，設(shè)計一種低碳鋼TIG焊的合理的焊接工藝。1.實驗條件1.1實驗材料與設(shè)備采用低碳鋼試樣，Q235薄鋼板（=4mm），具體成分如下表1所示。表1試驗用鋼的化學(xué)成分（wt%）實驗設(shè)備：WS-400逆變式手工/氬弧直流弧兩用焊機、顯微硬度計、預(yù)熱干 2燥器氬氣（99.95%）、XJL-02A型立式金相顯微鏡、PF-20型拋光機、線切割機、卡尺等。1.2 試驗方法及步驟采用TIG直流正極性焊接，焊前對焊接表面進行打磨處理直至露出金屬光澤。焊接時采用對接焊，焊件間裝配間隙為0.5mm，不

4、開破口，單面單道焊。具體焊接工藝參數(shù)如表2所示表2 TIG焊接工藝參數(shù)焊后采用電火花線切割法，以焊縫中心線為對稱軸且垂直于焊縫方向加工試樣，試樣尺寸為20mm×5mm×5mm。試樣經(jīng)不同粒度砂紙（150#、500#、800#、1000#）打磨，并在PF-20型拋光機上進行拋光，用4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，分別采用XJL-02A型立式金相顯微鏡和顯微硬度計進行接頭組織觀察和硬度測試。2.實驗結(jié)果與分析2.2焊接接頭金相顯微組織分析圖1為母材金相顯微組織，Q235母材金相組織為細(xì)晶鐵素體與片狀珠光體組織。圖2為焊接接頭焊縫區(qū)金相組織。由圖可見，圖a試樣1焊縫組織為沿柱狀晶界分布

5、的片狀或條狀先共析圖1母材金相組織 鐵素體、晶內(nèi)有少量的針狀鐵素體和珠光體；圖b試樣2的焊縫組織為沿原奧氏體晶界析出的大塊狀先共析鐵素體，晶內(nèi)有少量珠光體出現(xiàn)。這是由于試樣1焊接時焊接電流小，焊接熱輸入少，導(dǎo)致焊縫金屬冷卻速度變大，所以高溫停留時間短，形成少而較小的片狀或細(xì)條狀先共析鐵素體，繼續(xù)冷卻在原奧氏體晶內(nèi)形 成針狀鐵素體和珠光體。而試樣2的焊接電流大，冷卻速度反而較3 a b 圖2 焊縫區(qū)金相組織小，焊縫金屬在高溫停留的時間足夠長，形成由奧氏體晶界析出的大塊狀先共析鐵素體,又因焊縫中滲碳體有足夠時間擴散，剩余較少量的滲碳體與鐵素體混合形成少量的珠光體。另外，試樣2焊縫金屬晶粒尺寸比試樣

6、1的大，這是因為隨著焊接電流的增大，焊接熱輸入提高，金屬冷卻速度減小，所以液態(tài)金屬高溫停留時間長，金屬晶粒嚴(yán)重長大。以上分析表明，隨著焊接電流的增加，焊縫金屬的晶粒尺寸變大。因細(xì)小的晶?？梢蕴岣吆缚p的強韌性 ，所以試樣1的焊縫較試樣2焊縫具有較好的綜合力學(xué)性能。圖3為試樣熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)和粗晶區(qū)金相圖。細(xì)晶區(qū)又稱完全重結(jié)晶區(qū)，組織特征為晶粒細(xì)小而均勻的鐵素體和珠光體，因而該區(qū)的塑性和韌性都比較好，具有較高的力學(xué)性能，甚至優(yōu)于母材本身；粗晶區(qū)又稱過熱區(qū)，其緊鄰熔合區(qū)，組織特征是晶粒粗大的鐵素體和珠光體，甚至形成魏氏組織，因而該區(qū)脆性大，韌性低，甚至產(chǎn)生裂紋，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。比較圖3a、b及c

7、、d可以看出，試樣1和試樣2的組織形態(tài)有所變化，這是因為由于焊接熱循環(huán)的影響，焊接熱影響區(qū)的鐵素體首先沿奧氏體晶界呈網(wǎng)狀析出。但隨著焊接電a b c d 圖3熱影響區(qū)金相組織（a、b分別為試樣1和試樣2的細(xì)晶區(qū)，c、d分別為試樣1和試樣2的粗晶區(qū)） 流的增大，焊接熱輸入提高，因此在首先析出的網(wǎng)狀鐵素體中擴展生長出相互平行的針狀鐵素體，然后富碳的奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，即形成魏氏組織。圖3d，試樣2的粗晶區(qū)中由于過熱部分區(qū)域有魏氏組織形成。比較以上兩種工藝可以看出，采用較大的焊接電流，熱影響區(qū)易出現(xiàn)魏氏組織，惡化了焊接接頭的使用性能。2.3焊接接頭硬度測試分析用顯微硬度計對接頭橫截面進行硬度測試，施

8、加載荷為0.98N，載荷加載時間為10秒，測試方向從焊縫區(qū)中心到母材區(qū)。圖4為焊接接頭硬度分布曲線。如圖4所示，兩個試樣接頭金屬硬度值曲線起伏較大，硬度峰值出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)。這是因為熱影響區(qū)的細(xì)晶區(qū)晶粒細(xì)小提高了金屬的強韌性，強度和硬度之間有一定正比關(guān)系，所以硬度峰值出現(xiàn)在焊接熱影響區(qū)。（曲線中在熱影響區(qū)兩側(cè)出現(xiàn)的硬度值突變可能是顯微硬度打在了某些硬質(zhì)所致。）圖4 焊接接頭顯微硬度分布從圖4中還可以看出，試樣1的總體硬度值高于試樣2，但在靠近焊縫金屬的熱影響區(qū)試樣2的硬度值高于試樣1。這是由于隨著焊接電流的增大，焊接熱輸入增大，高溫停留時間較長，進而促使焊縫金屬的晶粒長大，試樣1的焊縫金屬晶

9、粒小于試樣2，所以試樣1的總體硬度值高于試樣2是晶粒細(xì)化所致。而在靠近焊縫金屬的熱影響區(qū)試樣2的硬度值高于試樣1，是因為試樣2的焊接熱影響區(qū)出現(xiàn)了魏氏組織，魏氏組織在很大程度上降低了金屬的塑性和韌性，提高了金屬的硬度。如上分析，試樣2焊接接頭的硬度突變較大，硬度突變越大，接頭存在的殘余應(yīng)力越大，造成應(yīng)力集中，進而惡化焊接接頭的使用性能。比較而言試樣1焊接接頭比試樣2具有較好的使用性能和力學(xué)性能。3.結(jié)論采用不同的焊接工藝參數(shù)（焊接電流）對低碳鋼材料進行焊接，研究了在不同的焊接熱輸入情況下焊接接頭的顯微組織，測量了接頭中的顯微硬度，分析試驗結(jié)果得到以下結(jié)論：3.1隨著焊接熱輸入的增大，焊接接頭的顯微硬度值減小，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)的顯微硬度值比母材高，顯微硬度峰值出現(xiàn)在整個接頭的熱影響區(qū)部位，焊接熱影響區(qū)的硬度突變會使整個接頭的力學(xué)性能降低，在使用過程中容易殘生裂紋.，惡化接頭使用性能。3.2 焊接參數(shù)不同，接頭的組織和性能也會發(fā)生較大的變化。一定焊接速度下，隨著焊接電流的增加，焊接熱輸入提高，焊縫金屬晶粒越容易粗化，接頭的力學(xué)性能變得越差；焊接熱影響區(qū)可能會出現(xiàn)魏氏組織，惡化焊接接頭的使用性能。參考文獻1崔忠圻，覃耀春.金屬學(xué)與熱處理M.北京：機械工業(yè)出版社，20072劉會杰. 焊接冶金與焊接性M 北京: 機械工業(yè)出版社，2007.3 王宗杰 熔焊